JP3959609B2 - 外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受および転がり軸受用外輪の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受および転がり軸受用外輪の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、圧延機器用軸受の中でも特に使用環境が苛酷な多段式圧延機のバックアップロール軸受においては、内外両輪の軌道面および転動体の転動面に、異物環境下に強い転がり疲労寿命特性が要求される。しかも、バックアップロールとなる外輪には、軌道面の転がり疲労寿命特性の他に耐割損性や、熱や荷重による塑性変形に対する耐変形性や、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するために行われる研磨に対する再研磨性が要求される。
【０００３】
従来、多段圧延機のバックアップロールに使用される転がり軸受用外輪として、軸受鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材に、浸炭焼入処理を施すことによって、外輪の外周面に硬さの比較的大きい表面硬化層を形成するとともに、それよりも内部に靭性を付与したものが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、浸炭焼入処理を施した場合、外周面の有効硬化層深さが小さくなるので、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するために行われる研磨に対する再研磨性が得られないという問題がある。すなわち、有効硬化層深さが小さいと、研磨によっても傷を完全に除去することができなかったり、傷を除去することができたとしても研磨後の有効硬化層深さが小さくなって傷が付きやすくなる。有効硬化層深さを大きくするには、浸炭焼入処理の処理コストが大幅に高くなるという問題があり、実際には実現不可能である。さらに、浸炭焼入処理を施した場合、外周面の有効硬化層における残留オーステナイト量が多くなり、熱や荷重による時効変形の度合いが大きくなるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、上記問題を解決し、内外両輪の軌道面および転動体の転動面の転がり疲労寿命特性を向上させうるとともに外輪の外周面の有効硬化層深さが大きく、しかも外輪の時効変形を抑制しうる外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受、ならびに処理コストを低減しうる転がり軸受用外輪の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受は、
外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受において、
内輪の軌道面および転動体の転動面が、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で６１〜６５となされるとともに、硬さが６１〜６５HRCである有効硬化層深さが０．３５ｍｍ以上となされ、有効硬化層の残留オーステナイト量が１５〜３５vol％となされるとともに圧縮残留応力が１００MPa以上となされており、外輪が、Ｃ０．８〜１．３ wt ％、Ｓｉ０．３５〜０．８ wt ％、Ｍｎ０．３〜１．２ wt ％、Ｃｒ０．９〜１．５ wt ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる軸受鋼よりなり、焼き入れ処理および焼戻し処理が施されて、外輪の軌道面の表面硬さが、転動体の転動面の表面硬さよりも０．８〜１．３ＨＲＣ小さい硬さとなされ、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さが５８〜６２HRCとなされるとともに、この深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなされていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の発明における各数値の限定理由は次の通りである。なお、外輪に用いる鋼の合金成分については、後述する請求項２の発明の場合と同じである。
【０００８】
内輪の軌道面および転動体の転動面の表面硬さ
この表面硬さが６１HRC未満であると潤滑油に含まれる異物により圧痕が発生しやすく、６５HRCを越えると割れが発生しやすくなるからである。
【０００９】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層深さ
０．３５ｍｍが、潤滑油中に含まれる異物による圧痕の発生を有効に防止するための最低限の深さである。
【００１０】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層の残留オーステナイト量
この残留オーステナイトは、有効硬化層のマトリックスの靭性を向上させて亀裂の進展を抑制し、これにより異物に対する寿命を向上させる性質を有するが、この残留オーステナイト量が１５vol％未満であるとこのような効果が得られず、３５vol％を越えると変形が生じやすいからである。
【００１１】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層の圧縮残留応力
この圧縮残留応力が１００MPa未満であると内輪の軌道面および転動体の転動面に表面割れが発生しやすくなるからである。
【００１２】
外輪の軌道面の表面硬さ
この表面硬さを、転動体の転動面の表面硬さよりも小さい硬さとしたのは、転がり軸受として優れた耐割損性を有するためには、割損しやすい外輪の靭性向上を目的として低硬度にする必要があるからである。なお、転がり軸受としての強度および耐摩耗性をバランスさせて耐久性を向上させるためには、外輪の軌道面と転動体の転動面との硬さの差はHRCで０．８〜１．３の範囲内にすることが好ましく、１とすることが望ましい。
【００１３】
外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ
この硬さが５８HRC未満であると塑性変形を起こしやすく、６２HRCを越えると割れが発生しやすくなるからである。
【００１４】
外輪外周面から深さ３ｍｍまでの部分の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量が５vol％未満であると靭性が不足して耐割損性が低下し、１８vol％を越えると時効変形しやすくなって寸法に狂いが生じ、局所的に高面圧の箇所が発生して割損の原因となるからである。
【００１５】
ここで、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さおよび残留オーステナイト量を上記のようにしたのは、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するための研磨に対する再研磨性が得られるとともに、熱や荷重による時効変形の度合いを小さくできるからである。
【００１６】
外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さ
この硬さが３０HRC未満であると塑性変形を起こしやすくなって強度が不足し、たとえば多段圧延機のバックアップとして機能しなくなり、４５HRCを越えると靭性が不足して耐割損性が低下するからである。
【００１７】
請求項１の発明の転がり軸受によれば、たとえば外輪を多段圧延機のバックアップロールに用いたさいの内外両輪の軌道面および転動体の転動面の転がり疲労寿命特性を向上させることができる。また、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するための研磨に対する再研磨性を得ることができる。また、外輪の外周面の熱や荷重による時効変形の度合いを小さくできる。さらに、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが上述したとおりであるから、外輪の塑性変形を防止することができる。
【００１８】
請求項２の発明による転がり軸受用外輪の製造方法は、請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項２の発明における各数値の限定理由は次の通りである。
【００２０】
鋼種
Ｃ含有量
Ｃは軸受としての強度を維持するための必須の元素であり、含有量が０．８wt％未満であると焼入、焼戻し後の外輪外周面の硬さを５８〜６２HRCとすることが困難となって転がり寿命が低下し、１．３wt％を越えると鋼材の溶製段階で巨大な炭化物を生成しやすくなって加工性が劣化するとともに耐破断性および転がり疲労寿命が低下するからである。
【００２１】
Ｓｉ含有量
Ｓｉは転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．３５wt％未満では転がり寿命改善効果が得られにくく、０．８wt％を越えると軟化熱処理後の硬さが高くなり、被削性や鍛造性を大幅に劣化させるからである。
【００２２】
Ｍｎ含有量
Ｍｎは脱酸剤として用いられるものであり、同時に焼入性および耐破断性を改善させる性質を有するが、含有量が０．３wt％未満であると溶製コストが高くなり、１．２wt％を越えると被削性が急激に低下するからである。
【００２３】
Ｃｒ含有量
Ｃｒは焼入性、耐破断性および転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．９wt％未満であると耐破断性および転がり寿命を改善する効果が得られず、１．５wt％を越えると大型の炭化物が生成して耐破断性および転がり寿命がかえって劣化するからである。
【００２４】
加熱温度
加熱温度が８００℃未満では外輪の軌道面および外周面の硬さを所望の硬さにすることができず、８８０℃を越えると結晶粒の粗大化がすすむとともに、第２相である炭化物のマトリックス中への固溶が多くなりすぎて、必要とする転がり寿命および耐割損性を得ることができないからである。
【００２５】
加熱時間
加熱時間が１時間未満であると均熱不足に起因して熱処理不良になり、３時間を越えると熱処理コストが増大するからである。
【００２６】
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力が下限値未満であると外輪の軌道面および外周面の硬さを所望の硬さにすることができず、上限値を越えると内部の硬さが硬くなりすぎて４５HRCよりも大きくなるからである。なお、上記噴射圧力は、噴射ノズルの噴射口における圧力である。また、外輪素材の外周面に焼入油を噴射するノズルの噴射口は、外輪素材の外周面より１５０〜３００ｍｍ離れていることが好ましく、２００〜２５０ｍｍ離れていることが望ましい。
【００２７】
請求項２の発明によれば、軌道面の表面硬さが、転動体の転動面の表面硬さよりも小さい硬さとなされ、外周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さが５８〜６２HRCとなされるとともに、この深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなされている外輪を製造することができる。
【００２８】
そして、外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射するだけであるので、従来の浸炭焼入処理を施す方法に比べて、処理コストが安くなる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３０】
転がり軸受は、外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに多段式圧延機のバックアップロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の円筒ころとを備えている。
【００３１】
内輪およびころは、ニッケルクロムモリブデン鋼やクロムモリブデン鋼などの肌焼き鋼からなる。内輪の軌道面およびころの転動面は、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で６１〜６５、硬さが６１〜６５HRCである有効硬化層深さが０．３５ｍｍ以上、有効硬化層の残留オーステナイト量が１５〜３５vol％、有効硬化層の圧縮残留応力が１００MPa以上である。
【００３２】
図１に示すように、外輪(1)は軸受鋼により形成されており、その軌道面である内周面(2)の表面硬さは、ころの転動面の表面硬さよりも小さく、外輪(1)の内周面(2)ところの転動面との表面硬さの差は、HRCで０．８〜１．３の範囲内、たとえば１である。また、外輪(1)の外周面(3)から深さ３ｍｍまでの部分(4)の硬さが５８〜６２HRC、この深さ部分(4)の残留オーステナイト量が５〜１８vol％、外輪(1)の内外両周面(2)(3)間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなっている。なお、外輪(1)の厚さ方向の硬さ分布は、内外両周面(2)(3)から厚さ方向の中心部にかけて滑らかに変化している。また、外輪(1)の外周面から深さ３ｍｍまでの部分(4)の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となっている。
【００３３】
上述したような外輪(1)は、次に述べる方法により製造される。
【００３４】
まず、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状寸法の外輪素材(10)を形成する。ついで、外輪素材(10)を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入する。この焼入のさいに、図２に示すように、焼入油中において外輪素材(10)の内周側における中心軸線上に軸線方向に伸びる第１の焼入油噴射ノズル(12)を１つ配置するとともに、外輪素材(10)の外周側における周方向に等間隔をおいた複数箇所にそれぞれ軸線方向に伸びる第２の焼入油噴射ノズル(13)を配置しておき、外輪素材(10)の内周面に第１焼入油噴射ノズル(12)により圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に第２焼入油噴射ノズル(13)により圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射する。
【００３５】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出して、焼戻し処理を施す。最後に、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工、研削加工等を施す。こうして、外輪(1)が製造される。
【００３６】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００３７】
Ｃ１．０２wt％、Ｓｉ０．５５wt％、Ｍｎ１．０１wt％、Ｐ０．０１５wt％、Ｓ０．００３wt％、Ｃｕ０．０９wt％、Ｎｉ０．０７wt％、Ｃｒ１．１０wt％およびＭｏ０．０２wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて、外径３００ｍｍ、内径２１８ｍｍ、長さ１７３ｍｍの円筒状外輪素材(10)を形成した。
【００３８】
ついで、外輪素材(10)を８６０℃で９０分間加熱した後、マスタークエンチＡからなる油温８０℃の焼入油中に浸漬して焼入れするとともに、焼入油中において第１焼入油噴射ノズル(12)により外輪素材(10)の内周面に圧力０．６５kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく第２焼入油噴射ノズル(13)により外周面に圧力１．９kg/cm２で焼入油を噴射した。第２焼入油噴射ノズル(13)の数は８、油冷時間は６分、焼入油噴射時間は６分である。
【００３９】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出し、２００℃で５時間加熱する焼戻し処理を施した。その後、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工を施した。
【００４０】
こうして、製造された外輪(1)の長さ方向の中心における外周面(3)から内周面(2)までの硬さ分布を計測した。その結果、図３に示すように、外周面(3)の硬さは５９．１HRC、外周面から深さ３ｍｍの部分の硬さは５８．０HRC、内周面の硬さは６２．０HRC、厚さ方向の中心の硬さは３５HRCとなっていた。さらに、外周面(3)から深さ３ｍｍまでの部分(4)の残留オーステナイト量は１４vol％となっていた。
【００４１】
さらに、軌道面の表面硬さが６２．３HRCであるとともに、硬さが６１〜６２．３HRCである有効硬化層深さが１ｍｍであり、有効硬化層の残留オーステナイト量が２１vol％であるとともに圧縮残留応力が１８６MPaである内輪と、転動面の表面硬さが６３．０HRCである円筒ころを用意した。そして、これらの内輪およびころと上述したようにして製造された外輪(1)を利用して転がり軸受を組立て、外輪(1)がバックアップロールとなるように多段式圧延機に組込んだ場合、従来の外輪を用いた場合に点検や交換を要していた６ヶ月の使用後も、外輪(1)に割れや時効変形は見られず、しかも内外両輪およびころにも異常は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による転がり軸受に用いられる外輪の半分を示す縦断面図である。
【図２】焼入油中において外輪素材に焼入油を噴射するノズルの配置状態を示す図である。
【図３】具体的実施例において製造された外輪の硬さ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
(1)：外輪
(2)：内周面
(3)：外周面
(4)：外周面から深さ３ｍｍまでの部分
(10)：外輪素材
【発明の属する技術分野】
この発明は、外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受および転がり軸受用外輪の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、圧延機器用軸受の中でも特に使用環境が苛酷な多段式圧延機のバックアップロール軸受においては、内外両輪の軌道面および転動体の転動面に、異物環境下に強い転がり疲労寿命特性が要求される。しかも、バックアップロールとなる外輪には、軌道面の転がり疲労寿命特性の他に耐割損性や、熱や荷重による塑性変形に対する耐変形性や、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するために行われる研磨に対する再研磨性が要求される。
【０００３】
従来、多段圧延機のバックアップロールに使用される転がり軸受用外輪として、軸受鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材に、浸炭焼入処理を施すことによって、外輪の外周面に硬さの比較的大きい表面硬化層を形成するとともに、それよりも内部に靭性を付与したものが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、浸炭焼入処理を施した場合、外周面の有効硬化層深さが小さくなるので、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するために行われる研磨に対する再研磨性が得られないという問題がある。すなわち、有効硬化層深さが小さいと、研磨によっても傷を完全に除去することができなかったり、傷を除去することができたとしても研磨後の有効硬化層深さが小さくなって傷が付きやすくなる。有効硬化層深さを大きくするには、浸炭焼入処理の処理コストが大幅に高くなるという問題があり、実際には実現不可能である。さらに、浸炭焼入処理を施した場合、外周面の有効硬化層における残留オーステナイト量が多くなり、熱や荷重による時効変形の度合いが大きくなるという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、上記問題を解決し、内外両輪の軌道面および転動体の転動面の転がり疲労寿命特性を向上させうるとともに外輪の外周面の有効硬化層深さが大きく、しかも外輪の時効変形を抑制しうる外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受、ならびに処理コストを低減しうる転がり軸受用外輪の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受は、
外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受において、
内輪の軌道面および転動体の転動面が、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で６１〜６５となされるとともに、硬さが６１〜６５HRCである有効硬化層深さが０．３５ｍｍ以上となされ、有効硬化層の残留オーステナイト量が１５〜３５vol％となされるとともに圧縮残留応力が１００MPa以上となされており、外輪が、Ｃ０．８〜１．３ wt ％、Ｓｉ０．３５〜０．８ wt ％、Ｍｎ０．３〜１．２ wt ％、Ｃｒ０．９〜１．５ wt ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる軸受鋼よりなり、焼き入れ処理および焼戻し処理が施されて、外輪の軌道面の表面硬さが、転動体の転動面の表面硬さよりも０．８〜１．３ＨＲＣ小さい硬さとなされ、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さが５８〜６２HRCとなされるとともに、この深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなされていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の発明における各数値の限定理由は次の通りである。なお、外輪に用いる鋼の合金成分については、後述する請求項２の発明の場合と同じである。
【０００８】
内輪の軌道面および転動体の転動面の表面硬さ
この表面硬さが６１HRC未満であると潤滑油に含まれる異物により圧痕が発生しやすく、６５HRCを越えると割れが発生しやすくなるからである。
【０００９】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層深さ
０．３５ｍｍが、潤滑油中に含まれる異物による圧痕の発生を有効に防止するための最低限の深さである。
【００１０】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層の残留オーステナイト量
この残留オーステナイトは、有効硬化層のマトリックスの靭性を向上させて亀裂の進展を抑制し、これにより異物に対する寿命を向上させる性質を有するが、この残留オーステナイト量が１５vol％未満であるとこのような効果が得られず、３５vol％を越えると変形が生じやすいからである。
【００１１】
内輪の軌道面および転動体の転動面の有効硬化層の圧縮残留応力
この圧縮残留応力が１００MPa未満であると内輪の軌道面および転動体の転動面に表面割れが発生しやすくなるからである。
【００１２】
外輪の軌道面の表面硬さ
この表面硬さを、転動体の転動面の表面硬さよりも小さい硬さとしたのは、転がり軸受として優れた耐割損性を有するためには、割損しやすい外輪の靭性向上を目的として低硬度にする必要があるからである。なお、転がり軸受としての強度および耐摩耗性をバランスさせて耐久性を向上させるためには、外輪の軌道面と転動体の転動面との硬さの差はHRCで０．８〜１．３の範囲内にすることが好ましく、１とすることが望ましい。
【００１３】
外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ
この硬さが５８HRC未満であると塑性変形を起こしやすく、６２HRCを越えると割れが発生しやすくなるからである。
【００１４】
外輪外周面から深さ３ｍｍまでの部分の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量が５vol％未満であると靭性が不足して耐割損性が低下し、１８vol％を越えると時効変形しやすくなって寸法に狂いが生じ、局所的に高面圧の箇所が発生して割損の原因となるからである。
【００１５】
ここで、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さおよび残留オーステナイト量を上記のようにしたのは、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するための研磨に対する再研磨性が得られるとともに、熱や荷重による時効変形の度合いを小さくできるからである。
【００１６】
外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さ
この硬さが３０HRC未満であると塑性変形を起こしやすくなって強度が不足し、たとえば多段圧延機のバックアップとして機能しなくなり、４５HRCを越えると靭性が不足して耐割損性が低下するからである。
【００１７】
請求項１の発明の転がり軸受によれば、たとえば外輪を多段圧延機のバックアップロールに用いたさいの内外両輪の軌道面および転動体の転動面の転がり疲労寿命特性を向上させることができる。また、外輪の外周面に傷が付いた場合にこの傷を除去するための研磨に対する再研磨性を得ることができる。また、外輪の外周面の熱や荷重による時効変形の度合いを小さくできる。さらに、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが上述したとおりであるから、外輪の塑性変形を防止することができる。
【００１８】
請求項２の発明による転がり軸受用外輪の製造方法は、請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項２の発明における各数値の限定理由は次の通りである。
【００２０】
鋼種
Ｃ含有量
Ｃは軸受としての強度を維持するための必須の元素であり、含有量が０．８wt％未満であると焼入、焼戻し後の外輪外周面の硬さを５８〜６２HRCとすることが困難となって転がり寿命が低下し、１．３wt％を越えると鋼材の溶製段階で巨大な炭化物を生成しやすくなって加工性が劣化するとともに耐破断性および転がり疲労寿命が低下するからである。
【００２１】
Ｓｉ含有量
Ｓｉは転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．３５wt％未満では転がり寿命改善効果が得られにくく、０．８wt％を越えると軟化熱処理後の硬さが高くなり、被削性や鍛造性を大幅に劣化させるからである。
【００２２】
Ｍｎ含有量
Ｍｎは脱酸剤として用いられるものであり、同時に焼入性および耐破断性を改善させる性質を有するが、含有量が０．３wt％未満であると溶製コストが高くなり、１．２wt％を越えると被削性が急激に低下するからである。
【００２３】
Ｃｒ含有量
Ｃｒは焼入性、耐破断性および転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．９wt％未満であると耐破断性および転がり寿命を改善する効果が得られず、１．５wt％を越えると大型の炭化物が生成して耐破断性および転がり寿命がかえって劣化するからである。
【００２４】
加熱温度
加熱温度が８００℃未満では外輪の軌道面および外周面の硬さを所望の硬さにすることができず、８８０℃を越えると結晶粒の粗大化がすすむとともに、第２相である炭化物のマトリックス中への固溶が多くなりすぎて、必要とする転がり寿命および耐割損性を得ることができないからである。
【００２５】
加熱時間
加熱時間が１時間未満であると均熱不足に起因して熱処理不良になり、３時間を越えると熱処理コストが増大するからである。
【００２６】
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力が下限値未満であると外輪の軌道面および外周面の硬さを所望の硬さにすることができず、上限値を越えると内部の硬さが硬くなりすぎて４５HRCよりも大きくなるからである。なお、上記噴射圧力は、噴射ノズルの噴射口における圧力である。また、外輪素材の外周面に焼入油を噴射するノズルの噴射口は、外輪素材の外周面より１５０〜３００ｍｍ離れていることが好ましく、２００〜２５０ｍｍ離れていることが望ましい。
【００２７】
請求項２の発明によれば、軌道面の表面硬さが、転動体の転動面の表面硬さよりも小さい硬さとなされ、外周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さが５８〜６２HRCとなされるとともに、この深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなされている外輪を製造することができる。
【００２８】
そして、外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射するだけであるので、従来の浸炭焼入処理を施す方法に比べて、処理コストが安くなる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３０】
転がり軸受は、外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに多段式圧延機のバックアップロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の円筒ころとを備えている。
【００３１】
内輪およびころは、ニッケルクロムモリブデン鋼やクロムモリブデン鋼などの肌焼き鋼からなる。内輪の軌道面およびころの転動面は、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で６１〜６５、硬さが６１〜６５HRCである有効硬化層深さが０．３５ｍｍ以上、有効硬化層の残留オーステナイト量が１５〜３５vol％、有効硬化層の圧縮残留応力が１００MPa以上である。
【００３２】
図１に示すように、外輪(1)は軸受鋼により形成されており、その軌道面である内周面(2)の表面硬さは、ころの転動面の表面硬さよりも小さく、外輪(1)の内周面(2)ところの転動面との表面硬さの差は、HRCで０．８〜１．３の範囲内、たとえば１である。また、外輪(1)の外周面(3)から深さ３ｍｍまでの部分(4)の硬さが５８〜６２HRC、この深さ部分(4)の残留オーステナイト量が５〜１８vol％、外輪(1)の内外両周面(2)(3)間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなっている。なお、外輪(1)の厚さ方向の硬さ分布は、内外両周面(2)(3)から厚さ方向の中心部にかけて滑らかに変化している。また、外輪(1)の外周面から深さ３ｍｍまでの部分(4)の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となっている。
【００３３】
上述したような外輪(1)は、次に述べる方法により製造される。
【００３４】
まず、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状寸法の外輪素材(10)を形成する。ついで、外輪素材(10)を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入する。この焼入のさいに、図２に示すように、焼入油中において外輪素材(10)の内周側における中心軸線上に軸線方向に伸びる第１の焼入油噴射ノズル(12)を１つ配置するとともに、外輪素材(10)の外周側における周方向に等間隔をおいた複数箇所にそれぞれ軸線方向に伸びる第２の焼入油噴射ノズル(13)を配置しておき、外輪素材(10)の内周面に第１焼入油噴射ノズル(12)により圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に第２焼入油噴射ノズル(13)により圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射する。
【００３５】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出して、焼戻し処理を施す。最後に、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工、研削加工等を施す。こうして、外輪(1)が製造される。
【００３６】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００３７】
Ｃ１．０２wt％、Ｓｉ０．５５wt％、Ｍｎ１．０１wt％、Ｐ０．０１５wt％、Ｓ０．００３wt％、Ｃｕ０．０９wt％、Ｎｉ０．０７wt％、Ｃｒ１．１０wt％およびＭｏ０．０２wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて、外径３００ｍｍ、内径２１８ｍｍ、長さ１７３ｍｍの円筒状外輪素材(10)を形成した。
【００３８】
ついで、外輪素材(10)を８６０℃で９０分間加熱した後、マスタークエンチＡからなる油温８０℃の焼入油中に浸漬して焼入れするとともに、焼入油中において第１焼入油噴射ノズル(12)により外輪素材(10)の内周面に圧力０．６５kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく第２焼入油噴射ノズル(13)により外周面に圧力１．９kg/cm２で焼入油を噴射した。第２焼入油噴射ノズル(13)の数は８、油冷時間は６分、焼入油噴射時間は６分である。
【００３９】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出し、２００℃で５時間加熱する焼戻し処理を施した。その後、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工を施した。
【００４０】
こうして、製造された外輪(1)の長さ方向の中心における外周面(3)から内周面(2)までの硬さ分布を計測した。その結果、図３に示すように、外周面(3)の硬さは５９．１HRC、外周面から深さ３ｍｍの部分の硬さは５８．０HRC、内周面の硬さは６２．０HRC、厚さ方向の中心の硬さは３５HRCとなっていた。さらに、外周面(3)から深さ３ｍｍまでの部分(4)の残留オーステナイト量は１４vol％となっていた。
【００４１】
さらに、軌道面の表面硬さが６２．３HRCであるとともに、硬さが６１〜６２．３HRCである有効硬化層深さが１ｍｍであり、有効硬化層の残留オーステナイト量が２１vol％であるとともに圧縮残留応力が１８６MPaである内輪と、転動面の表面硬さが６３．０HRCである円筒ころを用意した。そして、これらの内輪およびころと上述したようにして製造された外輪(1)を利用して転がり軸受を組立て、外輪(1)がバックアップロールとなるように多段式圧延機に組込んだ場合、従来の外輪を用いた場合に点検や交換を要していた６ヶ月の使用後も、外輪(1)に割れや時効変形は見られず、しかも内外両輪およびころにも異常は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による転がり軸受に用いられる外輪の半分を示す縦断面図である。
【図２】焼入油中において外輪素材に焼入油を噴射するノズルの配置状態を示す図である。
【図３】具体的実施例において製造された外輪の硬さ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
(1)：外輪
(2)：内周面
(3)：外周面
(4)：外周面から深さ３ｍｍまでの部分
(10)：外輪素材
Claims (2)
- 外周面が軌道面となされる内輪と、内周面が軌道面となされるとともに外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受において、
内輪の軌道面および転動体の転動面が、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で６１〜６５となされるとともに、硬さが６１〜６５HRCである有効硬化層深さが０．３５ｍｍ以上となされ、有効硬化層の残留オーステナイト量が１５〜３５vol％となされるとともに圧縮残留応力が１００MPa以上となされており、外輪が、Ｃ０．８〜１．３ wt ％、Ｓｉ０．３５〜０．８ wt ％、Ｍｎ０．３〜１．２ wt ％、Ｃｒ０．９〜１．５ wt ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる軸受鋼よりなり、焼き入れ処理および焼戻し処理が施されて、外輪の軌道面の表面硬さが、転動体の転動面の表面硬さよりも０．８〜１．３ＨＲＣ小さい硬さとなされ、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さが５８〜６２HRCとなされるとともに、この深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３０〜４５HRCとなされていることを特徴とする外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受。 - 請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射することを特徴とする転がり軸受用外輪の製造方法。
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